Cohetes de hidrógeno metálico

Por Daniel Marín, el 8 noviembre, 2016. Categoría(s): Astronáutica • Cohetes ✎ 68

Hace unos días saltó la noticia de que Isaac Silvera y Ranga Dias, investigadores de la Universidad de Harvard, habían sintetizado hidrógeno metálico, un estado del elemento más común del Universo que sólo se da a elevadas presiones como las que se alcanzan en el interior de Júpiter y Saturno. Aunque la noticia todavía no ha sido confirmada de independientemente, en este caso fue necesario aplicar una presión de 495 gigapascales para obtener una pequeña muestra hidrógeno metálico. Pero, además de aportarnos claves sobre el interior de los planetas gigantes, el hidrógeno metálico podría abrir una nueva era en la exploración espacial. Veamos por qué.

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Un cohete de una sola etapa capaz a base de hidrógeno metálico (los tanques se ven en verde) capaz de situar 25 toneladas en órbita baja. El resto del propelente sería hidrógeno molecular (Silvera et al.).

Como ya comentamos por aquí hace tres años, investigadores del grupo de Conceptos Avanzados e Innovadores (NIAC) de la NASA han propuesto usar el hidrógeno metálico como propelente para cohetes. ¿Cómo? El principio es muy simple. La teoría dice que el hidrógeno metálico podría ser metaestable, es decir, que una vez creado, seguiría estando en el mismo estado al bajar la presión.Y aquí viene lo interesante. Metaestable no es sinónimo de estable, así que el hidrógeno metálico se convertirá en hidrógeno molecular normal con el estímulo adecuado. Pero no hablamos de una transformación tranquila. El cambio de estado liberaría 216 megajulios de energía por kilogramo, nada más y nada menos (por comparación el explosivo TNT libera 4,2 MJ por kg).

Diagrama de fase del hidrógeno. A la derecha se ve
Diagrama de fase del hidrógeno. A la derecha se ve el hidrógeno metálico sólido y líquido (Dias et al.).

Un sistema de propulsión de este tipo sería tan eficiente que tendría un impulso específico (Isp) de 1000 a 1700 segundos, una barbaridad si lo comparamos con los 460 segundos que nos proporciona un motor criogénico convencional. Este motor permitiría hacer realidad el viejo sueño de crear sistemas de lanzamiento de una sola etapa (SSTO, Single Stage To Orbit) o mandar grandes cargas al espacio con cohetes relativamente pequeños. Básicamente sería lo mismo que disponer de motores nucleares térmicos pero sin tener que usar reactores nucleares. Además del impulso específico, el hidrógeno metálico sería diez veces más denso que el hidrógeno convencional, eliminando uno de los problemas asociados con este combustible, que no es otro que el enorme volumen de los tanques asociado a este combustible.

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¿Hidrógeno metálico? A la derecha se ve una muestra de 8 micras de lo que podría ser esta sustancia milagrosa (Dias et al.).

Las malas noticias son que no sabemos si el hidrógeno metálico es realmente un líquido o sólido metaestable en condiciones normales, ni tampoco si, en caso de serlo, podría aguantar las vibraciones asociadas con un lanzamiento sin transformarse en hidrógeno molecular. También se desconoce qué hace falta para que deje de ser metaestable y se convierta en hidrógeno normal. Se supone que elevando la temperatura conseguiremos el ansiado cambio de fase, pero nadie conoce la temperatura precisa, aunque la teoría indica que podría estar alrededor de 1000 K a 40 bares de presión, suficientemente baja como para lograrla en un motor cohete. Por último, es una incógnita cómo de costosa sería esta sustancia.

Suponiendo que no haya problemas graves para emplear esta sustancia, y es mucho suponer, ¿cómo sería un lanzador a base de hidrógeno metálico? Una posibilidad es usarlo directamente como propelente, pero otra opción más racional es combinarlo con hidrógeno líquido u otra sustancia que también sirva de propelente (el hidrógeno líquido es recomendable porque su peso molecular es muy pequeño y la velocidad de escape del motor es por consiguiente muy alta). De esta forma la energía asociada con el cambio de fase se usaría para calentar y acelerar el hidrógeno líquido como en un cohete nuclear térmico normal, aunque a cambio se perdería algo de impulso específico. A mayor cantidad de hidrógeno líquido se podría usar menor cantidad de hidrógeno metálico.

Cálculos realizados hace años por Isaac Silvera y John Cole han demostrado que usando apenas 21 toneladas de hidrógeno metálico sería posible construir un cohete de una sola etapa (SSTO) de unos 45 metros de longitud capaz de situar 25 toneladas de carga útil en órbita baja. Si en vez de una etapa tenemos dos con un total de unas 75 toneladas de hidrógeno metálico, la carga útil aumenta a 35 toneladas. En general, se supone que el uso de hidrógeno metálico permitiría aumentar quince veces la carga útil lanzada a una órbita de transferencia geoestacionaria (GTO) comparado con la capacidad cohetes convencionales de la misma masa. Por supuesto, si finalmente es factible usar el hidrógeno metálico directamente la capacidad de carga se dispararía.

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Propuestas de lanzadores a base de hidrógeno metálico de dos etapas capaces de situar 35 toneladas en LEO. El shuttle aparece como comparación (Silvera et al.).
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Lanzadores de hidrógeno metálico capaces de situar 30 toneladas en GTO comparados con el shuttle y el H-IIA japonés (Silvera et al.).

Resumiendo, el hidrógeno metálico es potencialmente revolucionario, pero todavía tenemos mucho que aprender antes de saber si podemos usarlo en cohetes o si es rentable hacerlo. Yo no sería demasiado optimista.

Referencias:

  • http://www.nasa.gov/pdf/637123main_Silvera_Presentation.pdf
  • https://www.nasa.gov/sites/default/files/files/Silvera_FinalReport.pdf
  • http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/215/1/012194/pdf;jsessionid=BAD827D474293C4E6427E007D5276FE0.ip-10-40-2-120
  • https://arxiv.org/pdf/1610.01634v1.pdf


68 Comentarios

  1. El hidrógeno metálico lo guardaré en el mismo cajón que el helio-3, a la espera de que alguien me diga cómo obtenerlo en grandes cantidades y qué tecnología me permitirá aprovechar sus cuasi-milagrosas propiedades.

  2. Tambien se comenta que el hidrogeno metalico podria ser superconductor a temperatura ambiente.

    luego estaria interesante ver si puede combinarse con otros elementos en ese estado, tendriamos un tipo de aleaciones exoticas

  3. Cómo lo flipa la peña. ¿Hidrógeno metálico para cohetes? Dame un cohete tripropelente de Litio/Hidrógeno/Fluor como los que proponía la NASA en los sesenta. Pero vamos, ni dudarlo, mucho más seguro y fácil de construir como de aquí a Lima (y vivo al otro lado del charco).

    Como lo de la antimateria, queda muy bonito hasta que te pones a mirar los «pequeños inconvenientes». Como que la antimateria necesita toneladas de equipo para guardar átomos, o que la radiación porducida freiría la nave. O que en cualquier momento una molécula del susodicho hidrógeno metálico puede dar el salto al otro lado de metaestable, iniciar una reacción en cadena, y dejar un bonito cráter.

    Puestos a sugerir chorradas que no se van a construir con Isps que alucinas, me quedo con el Orion, al menos la ingeniería es simple y realizable.

    1. Sí, la combinación Litio/Hidrógeno/Fluor es mucho más fácil de conseguir pero tiene el inconveniente de que el flúor es altamente tóxico y corrosivo. El problema de la corrosión se puede solucionar con suficiente tiempo, dinero y ganas pero el de la toxicidad no tiene solución a la vista. Pasa lo mismo con el ozono, el otro superoxidante al que más vale que no te acerques. Así que no creo que esas combinaciones lleguen nunca a ver la luz, porque la sensibilidad medioambiental no es la misma ahora que en los años 60.

      El hidrógeno metálico… De momento es una posibilidad remota. Sólo eso.

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